Borulu Eşanjör Nedir? Çeşitleri Nelerdir?

Borulu eşanjör: Yüksek sıcaklıklardaki akışkanlar arasında ısı transferi yapmak için borulardan imal edilen eşanjör türüdür. Borulu eşenjörlerde genelde dairesel kesitli borular kullanılır. Dairesel kesitli borular yüksek basınçlara dayanıklıdır. Bunun için, boru tipi eşanjör yüksek basınçlarda kullanılır.

Borulu ısı değiştiricileri esas olarak borulardan yapılır. Boru demetleri bakır veya çelik borulardan oluşur. Bir akışkan borunun içerisinden akarken diğer akışkan borunun dışından akar. Boru çapı, boru sayısı, boru uzunluğu, boru adımı ve boru düzenlemesi değiştirilebilir. Bu sebeple borulu ısı değiştiricilerin dizaynlarında oldukça esneklik vardır.

Kızgın sudan veya buhardan yararlanarak ısıtma için gerekli 90/70ºC suyun elde edilmesinde borulu eşanjörler kullanılır. Yüksek basınç veya sıcaklık durumlarında contalı eşanjör veya lehimli eşanjör yerine borulu eşanjörler tercih edilmektedir. Borulu ısı eşanjörleri, tüm proseslerde kullanılabilen bir ısı eşenjör çeşididir.

Borulu Eşanjör Çeşitleri

Üretim prosesi, kullanım alanları ve boru demeti yapısına göre sınıflandırılması;

• U borulu eşanjörler
• Düz borulu eşanjörler

Düz ve “U” borulu ısı eşanjörlerin üretiminde dikkat edilmesi gereken, akışkanlardır. Ayrıca akışkanların spesifik özellikleri ile bu akışkanların eşanjör içindeki hal değişimleridir.

Üretiminde projeye göre tamamı karbon ve paslanmaz çelik gövdeli eşanjör üretilir. Bakır ve özel alaşımlı, bafon veya pirinç boru demetli borulu eşanjör imalatı da yapılmaktadır. Dış kabuk genellikle bakır sacdan üretilir. Eşanjör fiyatları kalitesine, kullanılan malzemeye göre her firma tarafından değişir

Eşanjör Boru Demeti

Karbon çelik, paslanmaz, bakır ve pirinç ile bafon (bafon (CuNiFe). bakır, nikel ve demir alaşımıdır.) borudan üretilir. Boru çapları mm olarak değişiklik gösterir. Boru çaplarının belirlenmesinde akışkanlardan yararlanılır.

Akışkan çeşitlerine ve eşanjörün tasarım modeline göre düz veya U borulu yapılır. Boru demetlerinde yaşanan kireçlenme ve kirlenme durumları göz önünde tutularak tasarlanırlar. Buharlı sistemlerde “U” borulu tercih edilir . Yağ sistemlerinde ise tek taraf sabit, diğer taraf gezer aynalı düz borulu sistem tercih edilir. Bu durumda dikkat edilmesi gereken sızdırmazlık için uygun contaların seçimidir.

Borulu Eşanjörleri Oluşturan Parçalar 

• Düz veya U şeklinde kıvrılmış ısı transferinin gerçekleşmesini sağlayan borular,
• Borulu eşanjörlerin dış gövdesi, kıvrılmış sacdan veya borudan imal edilir,
• Boruların bağlandığı ayna,
• Gövde içinde boruların dışındaki akışı yönlendiren ve borulara destek olan yön değiştirme perdeleri,

• Gövde tarafı akışkanının giriş ve çıkışını sağlayan gövde nozulları,
• Boru tarafı akışkanının giriş ve çıkışını sağlayan kafa ve kafa nozulları,
• Borulu eşanjör üzerine ayna ve kafaların bağlanmasını sağlayan flanşlar,
• Herhangi bir kaide üzerine eşanjörün montajını sağlayabilecek taşıyıcı ayaklar,
• Eşanşör dış yüzeylerinden, ısı kaybını önleyen izolasyon sistemi.

Borulu Eşanjör Çeşitleri

• Gövde borulu değiştirici
• Çift borulu değiştirici,
• Spiral borulu değiştirici olmak üzere üç sınıfta incelenir.

Gövde Borulu Isı Eşanjörleri

Proses endüstrisinde en yaygın olarak kullanılan eşanjör tipidir. Yaklaşık olarak kullanılan bütün ısı eşanjörlerinin % 60’ı gövde borulu ısı değiştiricileridir. Gövde borulu eşanjörler, boru ekseni gövdenin eksenine paralel olacak şekildedir.

Büyük silindirik gövde içine yerleştirilen birbirine paralel yuvarlak borulardan yapılır. Çalışma basıncına ve akışkan özelliklerine göre boruların et kalınlıkları belirlenir. Akışkanlardan birisi boruların içinden, diğer akışkan ise gövde tarafında borulara paralel veya çapraz olarak akar.

Gövde borulu ısı değiştiricileri oluşturan elemanlar; borular (veya boru demeti), gövde, iki baştaki kafalar, boruların bağlandığı ön ve arka aynadır. Ayrıca gövde içindeki akışı yönlendiren ve borulara destek olabilen şaşırtma levhaları ve destek çubuklarıdır.

Isıl işlev, basınç düşümü, basınç seviyesi, kirlenme, imalat yöntemi ve maliyeti, korozyon ve temizleme sorunlarına bağlı olarak çeşitli gövde tarafı ve boru tarafı akış düzenlemeleri kullanılır.

Gövde Borulu Eşanjör Özellikleri

• Maksimum basınç: Gövde tarafında 350 bar (mutlak), boru tarafında 1400 bar (mutlak).
• Sıcaklık Aralığı: (-200ºC) ile (600ºC) arasında değişir. Özel malzemeler kullanılarak bu sıcaklık aralığı genişletmek mümkündür.
• Tek bir ünite için tipik yüzey alanı 10 – 1000 m² arasında değişir.
• Maksimum etkinlik: e =0,9 (çok geçişli ünitelerde etkinlik daha küçüktür). Etkinlik; akışkandaki sıcaklık yükselmesinin teorik olarak mümkün olan maksimum sıcaklık yükselmesine oranı olarak tanımlanır.
• Minimum D T=5 K
• Mümkün olduğunda karbon çeliğinden yapılır.

Gövde Borulu Eşanjör Avantajları

• Tasarımı yapılırken, bu ısı değiştiricileri bütün uygulamalar için kullanılabilir. Örnek olarak petrol rafinerileri, termik santraller, kimya endüstrisi vs.
• Gövde borulu ısı eşanjörleri son derece esnek ve sağlam dizayna sahiptir.
• Temizleme için demonte edilebilecek, sökülebilecek şekilde dizayn (desing) edilebilir.
• Gövde borulu ısı eşanjörlerin bakımı ve tamiri kolaydır.
• Piyasada kolay bulunabilen, gövde borulu ısı değiştiricileri tedarik eden firma sayısı fazladır.
• Çoklu üniteleri kolayca yapılabilir.
• Birçok metal ile gövde borulu ısı değiştiricileri imalatı yapılabildiği için akışkan sınırlaması çok azdır.

  

Dezavantajları

• Yüksek plan alanı gerektirir. Ayrıca demeti sökmek için ekstra alana ihtiyaç vardır.
• 16 bar basınç ve 200ºC sıcaklığın altındaki şartlarda plakalı ısı eşanjör fiyatları daha ucuz olabilir.

Çift Borulu Isı Eşanjörler

Düz (Çift) borulu ısı değiştiricileri en basit ısı değiştirici çeşididir. Çift borulu ısı değiştiriciler; iç içe geçmiş iki boru bulundurur. İçteki boru kanatcıklı veya düz olabilir. Bir borunun daha büyük çaplı bir boru içerisine eş merkezli olarak yerleştirilmesi sonucu elde edilir.

Akışkanlardan biri içteki borudan akarken diğeri dışarıdaki borudan akar. Düz borulu ısı eşanjörler, istenen basınç düşümü ve sıcaklık farkı ihtiyacını karşılamak için kullanılır. Çeşitli seri ve paralel konfigürasyonlar şeklinde düzenlenebilir. İçteki boru tek veya çok borulu olabilir. Halkadaki ısı taşınım katsayısı düşükse eksenel kanatçıklara sahip iç boru (veya borular) kullanılabilir.

Çift Borulu Isı Eşanjör Özellikleri

• Maksimum basınç: Gövde tarafında 350 bar (mutlak), boru tarafında 1400 bar (mutlak)
• Sıcaklık Aralığı: (-200ºC) ile (600ºC) arasında değişebilir. Özel malzemeler kullanılarak bu sıcaklık aralığı genişletilebilir.
• Tek bir ünite için tipik yüzey alanı 0.25–200 m² arasında değişir.
• Maksimum etkinlik: e =0,9
• Minimum D T=5K
• Çift borulu ısı eşanjörlerde genel olarak çoklu üniteler kullanılır.
• Mümkün olduğunda karbon çeliğinden imal edilir.
• Esas kullanım alanı, küçük ısı transfer alanlarının (50 m²’ye kadar) gerektiği  proses akışkanlarının ısıtılması ve soğutulması için kullanılır.

Çift Borulu Isı Eşanjör Avantajları

• Isıl kapasiteyi ve ısı geçiş yüzey alanını artırmak için seri halde monte edilebilir.
• Karşıt akış kolay bir şekilde elde edilebilir.
• Çift borulu ısı değiştiricileri yüksek basınçlara dayanır.
• Standart modüler konstrüksiyona sahiptir.
• Çift borulu ısı eşanjörlerin bakımı ve tamiri kolaydır.
• Temizlenmesi kolay olduğu için, özellikle kirletici akışkanlar için uygundur.
• Çift borulu ısı değiştiricileri piyasada kolay bulunur.
• Birçok metal ile imalatı yapılabildiği için akışkan sınırlaması çok azdır.

Dezavantajları

• Çift borulu ısı değiştiricileri toplam ısı transfer alanının 50 m² veya daha az olduğu küçük kapasiteler için uygundur. Çünkü, birim ünite maliyeti fazladır.
• Yüksek ısıl kapasiteler (1 MW’ dan daha fazla) için, borulu eşanjör fiyatları pahalıdır.

Spiral Borulu Isı Eşanjörleri

Bir depo içine yerleştirilen spiral şeklinde bobin gibi sarılmış bir veya daha fazla borulardan oluşur. Isı transfer kat sayısı, spiral bir boruda düz bir borudan daha yüksek olduğu için spiral sarım kullanılır.

Spiral borulu ısı eşanjörleri genel olarak havuz ve depolardaki akışkanların sıcaklık kontrolünde kullanılmaktadır. Helisel bir şekilde yapılabilen serpantinin adımı, sarım çapı ve alanı uygun bir şekilde seçilebilir. Küçük serpantinlerin depo içinde desteğe ihtiyacı yoktur. Buna karşın, büyük serpantinlerin desteklenmesi gerekir.

Spiral borulu ısı eşanjörlerde spiral boru dış yüzeyi ve depo içi kolaylıkla temizlenir. Fakat boru iç yüzeyi kolay bir şekilde temizlenemez. Bu tip ısı değiştiricilerin depo tarafındaki debi ve akışkan hızları küçük olması sebebiyle, ısıl kapasite debileri küçüktür.

Spiral Borulu Isı Eşanjör Özellikleri

• Temizleme işlemi hemen hemen olanaksız olduğu için, temiz akışkanlar için uygundur.
• Soğutma sistemlerindeki kondanser ve eş-eksenli evaporatörler olarak dizayn edilirler.

Spiral Borulu Isı Eşanjör Avantajları

• Spiral borulu ısı eşanjörleri basit ve ucuz bir şekilde elde edilebilir.
• Isıl genleşmenin meydana getirdiği gerilme sorunları yoktur.
• Spiral borunun dış yüzeyi ve depo kolay bir şekilde mekanik olarak temizlenebilir.

Dezavantajları:

• Spiral borunun iç yüzeyi mekanik olarak kolay temizlenemez.

Borulu Eşanjör Kullanım Alanları

Tekstil ve gıda gibi başlıca ana sektörlerde kullanılır. Gemilerin yağ, yakıt, su buhar devrelerinde ısıtma, soğutma / yoğuşturma amacı için sıklıkla kullanılırlar. Isıtıcı olarak su buharı, soğutucu olarak tatlı su veya deniz suyu kullanılır. Deniz suyu kullanılan sistemlerde katodik koruma uygulanır.

Ayrıca buhar, kızgın yağ ve kızgın su kazanı bulunan firmalarda kullanma suyu ve/veya sıcak su düşük basınçlı buhar talebi vb. ihtiyaçların karşılanmasında kullanılır.

Termik santrallerde, Kimya endüstrisinde, İplik boyama makinesi, Kumaş boyama makinesi, Yağ soğutucu, Turbo şarj soğutucu, Kompresör hava soğutucu, Petro kimya ve rafineri sektöründe kullanılır.

Hijyenik Borulu Eşanjörler

Bazı kimya ve gıda uygulamalarında ısıl işlemler yüksek sıcaklıklarda veya basınçlarda yapılır. Bu sıcaklık ve basınçlarda plakalı eşanjör kullanımı conta sıcaklık ve basınç dayanımı sınırı kullanılamamaktadır. Bu tip uygulamalar sökülebilir, tam hijyenik borulu sağlanmaktadır. Sıcaklık sınırı 350°C lere kadar çıkabilmektedir. Bu tip eşanjörlerdeki kaynaklar, pürüzsüz bir akış yüzeyi sağlamak için hassas yapılması önemlidir.

Borulu eşanjör firmaları bu tip kaynakları, sertifikalı kaynakçılar tarafından uygulatırlar.  3 aşamada yapılan  kalite kontrol, uzman mühendisler tarafından incelenir. Gıda işleme proseslerine uygun olarak yapılan tasarım da kapasite, yer, işlenecek olan gıdanın cinsi önemlidir.

Yüksek basınçlı uygulamalarda, kapasite hesapları, malzeme et kalınlıkları, kaynak teknolojileri gibi konular hayati önem taşır. Bu nedenle üretilen her eşanjör, test yapılmalıdır. Borulu eşanjör, eşanjör fiyatları, eşanjör imalatı verilen proses bilgilerine ve akışkan özelliklerine göre eşanjör seçimi yapılır.

Eşanjör Hesaplamaları

Eşanjör hesaplamaları yapılırken, her firma, kendi ARGE bölümlerinin geliştirdiği bir program kullanır. Eşanjörler bu program sonucunda boyutlandırılır. Farklı markalarda, aynı ısıl değerlerde ve kapasitedeki eşanjörlerde, ısı transfer m²’ leri arasındaki fark % 3-5 arasında olmalıdır. Eğer bu fark çok yüksek ise bunun neden kaynaklandığı iyice araştırılmalıdır.

Borulu Eşanjör Bakımı ve Revizyonu

Borulu eşanjörler, uzun ömürlü ve problemi olmayan cihazlardır. Ancak dış etkenlerden kaynaklanan bazı deformasyonlara ve kirliliğe maruz kalırlar. Borulu eşanjörler kullanıldığı sistemlere göre temizlik ve bakıma ihtiyaçları vardır.

Eğer doğru bir yöntemle, doğru kimyasallar ile yapılmayan bir temizlik, borulara zarar verir. Bu da eşanjörde daha büyük revizyonlar yapılmasını gerektirir. Bundan dolayı temizlik ve eşanjör bakımı uzman ekipler tarafından yapılmalıdır. Temizliği yapılırken, zaman içinde korozyona uğrayıp deforme olan iç borular, değiştirilmelidir.